CC BY
67
665.1.033.001. Ї
МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ШНЕКОВЫХ МАСЛООТЖИМНЫХ ПРЕССОВ И ЭКСТРУДЕРОВ
В. Н. ГЕРАЩЕНКО, Ю. П. КУДРИН, Ю. А. ТОЛЧИНСКИЙ
Харьковский политехнический институт им. В. И. Ленина
В результате проведения комплекса экспериментальных и теоретических исследований в течение ряда лет была построена математическая модель, позволяющая, в принципе, описать большой массив опытных данных [1—8]. Эта модель исходит из следующих основных положений: маслосодержа-
щий материал представляет собой, как минимум, двухфазную сплошную среду — масло и деформируемые твердые частицы. Реология материала определяется контактными гидродинамическими явлениями в масляных пленках, сжатых между частицами, а в тех контактах, откуда масло полностью выдавлено, адгезией вещества частиц [6]. Поверхностные взаимодействия материала и граничных (металлических) поверхностей определяются в рамках двухжидкостной модели сплошной среды. Отжим определяется объемными и сдвиговыми микродеформациями частиц. Объемные микродеформации обеспечивают выдавливание масла из частиц в поры, а сдвиговые вносят вклад в уменьшение объема порового пространства [8]. Проницаемость среды определяется в рамках квазисферической капиллярной модели, учитывающей микрошероховатость частиц и контактную деформацию в рамках теории Герца [10].
Описанная физико-механическая модель рассматривалась в винтовых каналах двух видов: в обычных — с подвижными границами и в составных, которые содержат выступы и конфузорно-диффу-зорные элементы с подвижными и неподвижными границами [8], Каналы первого вида составляют рабочую зону одночервячной [11, 12], каналы
второго вида — двухчервячной машин и образованы поверхностями сопряженного червяка [2—6]. Такие каналы удачно моделируют эффект вытеснения материала пером сопряженного червяка. Применение модели составного канала позволяет представить уравнения течения в одночервячных и двухчервячных машинах единообразно и лучше выявить особенности сопряжения червяков.
В модели использованы каналы, в поперечном сечении которых лежит прямоугольник и криволинейный двуугольник [8]. Каналы прямоугольного сечения являются стандартными для червячных машин. Двуугольные каналы образуются насадками специальной формы, которые обеспечивают эффективный сдвиг и измельчение в материале. Большой комплекс промышленных и лабораторных исследований показал, что такие насадки интенсифицируют отжим и улучшают структуру жмыха для различных маслосодержащих материалов.
Разработанная модель носит универсальный характер в том смысле, что включает в себя в качестве частных случаев модели одно- и двухчервячного маслоотжимного пресса и одно- и двухчервячного экструдера с любыми выходными устройствами (матрица, конус и т. д.).
Модель включает в себя двенадцать основных уравнений, которые носят нелинейный взаимозависимый характер. В эти уравнения входят три системы давлений — в частицах, порах и микрокапиллярах, вязкость масла, объемные и сдвиговые де-
формации частиц, пористость и проницаемое! материала, давление, расход течения и плотност материала, отжим масла по длине винтового канал пресса [8, 9]. Все перечисленные величины (кром вязкости масла) рассчитываются в ходе решения выводятся на печать. Помимо основных уравнени! имеется около ста дополнительных уравнений и соо! ношений. Большая часть из них относится к фор:у
факторам [1—5]. Семнадцать уравнений относятс к взаимодействию маслосодержащего материала граничными поверхностями и описывают различнь виды скольжения на границах каналов. Величин скоростей скольжения на всех металлических ш верхностях определяются в ходе решения уравнени модели в зависимости от координаты вдоль ос винтового канала.
В модель входят в качестве составной част уравнения передачи тепла, которые учитывают ди< сипативное выделение тепла в результате сдвиг в материале и конвективный многофазный перенс тепла от стенок корпуса в глубину материала пр разогреве стенок экструдера. Модель теплопередач состоит из пятидесяти уравнений и соотношенш Результаты расчетов гидродинамической части моде ли служат исходными данными для уравнени теплопередачи.
В результате анализа экспериментальных данны было установлено, что объемная вязкость и коэфф? циент трения на металлических поверхностях Ощ сывак^я формулами такого вида [6] :
и? = (1 -I (Р,)) (1, СЬ (р,) Р,+Ь (р,) /у-в
и = (1 -I (Р,)) (X, (Л,В») „а+£2 (р,), где ц? — объемная вязкость материала, Па-с Рв — давление в частицах, Па\ vf— скорость сдвига слоев материала в ег объеме, м/с; у®—скорость скольжения материала на ме таллических поверхностях, м/с;
I (/)5, || (Р5), ^2 (Я5) — функции, характеризующи контактные явления между час тицами материала [6];
1—объемная вязкость масляной пленки контакте между соседними частицам? ПА ■ с;
(Р5,у°)— поверхностная вязкость масляной пленк на металлической поверхности, Па-с /г — инвариант тензора скорости деформа ций, с-1.
Из (1) следует, что, если фактор адгезии Ъ(Р*) ма/ маслосодержащий материал ведет себя как ^еньютс новская жидкость, вязкость которой зависит н только от скорости деформации, но и давления Если фактор адгезии таков, что второе., слагаемо в формуле вязкости сравнимо с первым, то масло содержащий материал ведет себя как бингамов ское нелинейное тело, порог текучести которого за висит от давления.
Исследование сжимаемости маслосодержащи. материалов показало, что плотность их определя ется следующим соотношением:
р^р,0 = Ч р,0 = р5(Ш, (2)
р5 — плотность маслосодержащего материала, кг/мл\
ш>5,Т$) - коэффициент сжимаемости, безразмер-
ный;
ау5 влажность материала, безразмерная;
Тц температура материала, град-К',
Рзо начальное давление в материале, Па.
Разработанная модель позволяет выполнять пол-й силовой расчет пресса или экструдера и вы-:лить осевые нагрузки, крутящие моменты для ;х элементов конструкции. Силовой расчет осно-й на уравнениях модели бокового давления. Эта дель дополняет модель течения, которая исполь-?т представления о жидком, следовательно, изо-зпном по давлению течении. В этой модели мате-ал имеет твердообразное поведение, которое ха-ктеризуется модулями Юнга, Пуассона и сдвига >1
Экспериментальные исследования и анализ данных утих авторов позволили установить, что модуль -1га £5, модуль сдвига и коэффициент боко-'о давления к* имеют следующий общий вид [6] :
Ез = ф! (ау5, Тз) Р?‘,
С, = <р2 (ш>*, Тг) (Р, + (3)
1 — -ф (ш>!, Т3, ра-) со (та)/кз’~
1 -(- 2ф(йУ,„ Г.,, р3) со (т5)/^'2 ’
5 т.\, /и? — постоянные, безразмерные;
-и>5,Т$), Ц)2(ы>5,Т$) — коэффициентные функции, определяемые экспериментально;
К — постоянная, Па;
|(ш5,7’3,р5), со(т5) — вспомогательные функции, определяемые экспериментально, безразмерные; т5 — пористость маслосодержащего материала, безразмерная. Модель, пополненная физико-механическими ха-ктеристиками (1) — (3), является замкнутой и зволяет, в принципе, выполнить силовой, энерге-геский, гидродинамический, тепловой расчеты есса или экструдера.
Изображение взаимосвязей различных элементов счета приведено на рис. 1 и 2. На рис. 1 представ-1 многоуровневый граф гидродинамического рас-га двухчервячного экструдера (пресса). Группа эшин первого уровня изображает элементы, в ко-жх вычисляются вязкость, сжимаемость и порог сучести. В вершине 3 вычисляется функционал жа масла в рамках модели порового пространства териала. В вершинах третьего уровня вычисля-ся скорости скольжения материала на гранич-х поверхностях прямоугольных и двуугольных налов, в вершине 9— вспомогательные величины, условленные геометрией взаимно сопрягаемых звяков. В вершинах 10—18 вычисляются гидро-намические характеристики составных винтовых налов вне зоны сопряжения червяков для модели нинейной жидкости, а в вершинах 19—22 — для дели нелинейного бингамовского тела. В верши-х 23—28 вычисляются гидродинамические харак-)истики винтовых каналов с учетом зоны сопря-■ния червяков. Вершина 31 изображает решаю-ш блок, в котором происходит решение системы авнений течения и построение всех выходных тичин. Пунктирные линии означают обратные свя-охватывающие элементы расчета.
На рис. 2 приведен граф вычисления диссипатив-:о тепла. В вершинах первого уровня вычисля-ся скорости потоков матерцдла в каналах зоны 1ряжения червяков, в вершинах второго уровня — :сипация продольного и поперечного течений в яд-
ре потока и в углах вне зоны сопряжения червяков. В вершинах 8 я 11 вычисляется полная диссипация вне зоны сопряжения, в вершинах 9, 10, 12—16— диссипация в зоне сопряжения червяков в ядре потока и в углах. Наконец, в вершине 17 происходит суммирование всех видов диссипации для подстановки в уравнения теплопередачи.
Следует отметить, что в настоящее время достигнуто удовлетворительное описание процессов прессования семян подсолнечника и экструзии семян сои и стоит задача распространения модели на процессы переработки семян хлопка и рапса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудрин Ю. П. Исследование течения материала в винтовых каналах маслоотжимных шнековых прессов: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук.— Краснодар, 1974.
2. К у Д р и н Ю. П. и др.//Масложир. пром-сть.— 1976,—№ 10.— С. 15—17.
3. К у д р и н Ю. П. и др.//Масложир. пром-сть.— 1977—№ 3,—С. 19—20.
4. К у д р и н Ю. П. и др. Тез. докл. Всесоюзного симпозиума по реологии.— Волгоград, 1960.— С. 39—40.
5. Кудрин Ю. П. и др. Тез. докл. Всесоюзной науч. конф. «Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств». Кн. 1. ГидромеханичеДие процессы.— Харьков, 1985.— С. 45—46, 111 — 113, 115—116, 120—121.
6. Экструзионная подготовка материала к экстракции: Отчет о НИР (промежут.)/Харьков. политехи, ин-т им. В. И. Ленина.— № ГР 01860096036.— Харьков.— 1980.
7. Т о л ч и'-н'с к и й Ю. А. Тез. докл. 4-й Респ. конф.
«Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств».— Харьков, 1976,—С. 117—119.
8. Исследование процесса экструзионной подготовки мас-лосодержащего материала к извлечению масла методом прямой экстракции: Отчет о НИР (окончат.)/ Харьков, политехи, ин-т им. В. И. Ленина.— № ГР 79063309, инв. № 02860048676,— Харьков, 1986.
9. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде.— М., 1947.
10. Л а н д а у А. Д., Л и ф ш и ц Е. М. Теоретичен физика. 7. Теория упругости.— М., 1965. -
11. Геррман X. Шнековые машины в технологии М., 1975.
12. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс М., 1962.
Кафедра общей химической технологии,
процессов и аппаратов Поступила 13.06
665.1.033:532.5
ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ МАСЛИЧНОГО МАТЕРИАЛА В ДВУУГОЛЬНЫХ КАНАЛАХ шнековых маслоотМимных ПРЕССОВ
А. Ю. АВЕРБАХ, В. Н. ГЕРАЩЕНКО, Ю. П. КУДРИН, Ю. А. ТОЛЧИНСКИЙ
Харьковский политехнический институт им. В. И. Ленина
Для интенсификации процесса отжима в ходе прессования мезги масличных семян целесообразно использовать рабочие органы специальной формы, поверхности которых вместе с поверхностью корпуса пресса образуют двуугольный в плане канал. Йс-пользование рабочих органов имеет по сравнению с обычными шнеками преимущества, обусловленные более развитой циркуляцией масличного материала в двуугольном канале, интенсивным и объемным и сдвиговым измельчениями [1, 2]. В результате повышенного сдвига происходят снижение гидравлического сопротивления фильтрации масла и выход внутреннего масла на вновь образуемые поверхности пор.
Для анализа вышеупомянутых процессов используем прием инверсии, рабочий орган считается неподвижным, а корпус пресса вращается вокруг него [3]. Течение масличного материала в двуугольном канале разбивается на продольное и поперечное: первое представляет собой сумму течений, вызванных движением стенки корпуса и перепадом давлений на концах канала, второе — циркуляцию. Интенсивность поперечного сдвига возрастает по мере приближения к острию двуугольного канала, что вызывает разрушение частиц масличного материала.
В результате происходят мгновенные подвижки фрагментов разрушившейся частицы перед занятием ими нового равновесного положения. Учитывая, что путь, проходимый частицей размером й при занятии нового положения в системе частиц с пористостью т, равен (по порядку величины) т1/3с1, получим скорость пульсации масла, увлекаемого фрагментом разрушившейся частицы порядка т1/6(Р3/ Рз)1/2, где Р3 — давление в материале, р5 — плотность материала. Пульсации скорости масла создают дополнительный расход его в поровых капиллярах.
Разрушение частиц приводит также к образованию новых поверхностей поровых капилляров. На этих поверхностях находится масло, которое до разрушения было внутри них. Масло, попадая в поро-вые капилляры, приводит к дополнительному наполнению последних. Через поровый капилляр в двуугольной области весь расход разбивается на два, обусловленные законом Дарси и вышеописанными эффектами [4]. Формула для расхода фильтрации в двуугольном канале имеет следующий вид:
<7 =91 + <72,
<?1 = — уР? — т +
М
„ _ 1 ( т у/’т1''6 5 , , *
Ч2~Ч\Т=ИП ^Т7Г у М*/)>
п ~ (1 —т)/й'\
5 ~ «2/3(1 —т)2/3,
= ^2Мг^)2/3]>
XI
где ц — расход через поровый капилляр;
й—проницаемость материала; ц/ — вязкость масла;
Р; — давление в капилляре;
5 — поверхность частиц в 1 см3 ма: риала;
X (х/)— коэффициент пульсаций масла п разрушении частиц; е — толщина включений масла внут частиц.
В соотношениях (1) точка над соответствующ буквой означает производную по времени, а ко кретный вид коэффициента X не приводится вви, его громоздкости. Из системы (1) следует, что * нетика прироста отжима определяется прирост' и величиной поверхности частиц, которая, в св< очередь, определяется числом частиц п в едини объема. В феноменологические законы измельчен входит сила Р5, действующая на частицу. Если I пользовать кинетический закон измельчения следу щего вида:
п~п(ГР%п~'% (
где ^ — время; а, (3, у — постоянные, то все выр жения в системе (1) станут функциями Для си. /\; справедливо следующее приближенное вырал ние:-
Л= (^ц+Л|_) + Ф йа (Т||+Т±) «
+ <Рх>) + ^(<т„> + <т±>),
где Р± давления продольного и поперечно течений соответственно; тц, т1 — касательные напряжения продольно и поперечного течений соответствен Для оценки величин, входящих в соотношен
